ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ Διμερής Ε&Τ Συνεργασία Ελλάδας-Κίνας ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ SEAWIND

Transcript

1 ΕΚ ΤΤΓΚ ΠΛ Φ ΕΠ 7-3 Διμερής Ε&Τ υνεργασία Ελλάδας-Κίνας -4 ΕΕΥΤΚ ΠΓΜΜ SEWD χεδιασμός θαλάσσιων ανεμογεννητριών βάσει επιτελεστικότητας θανάσιος. Δήμας, ικόλαος Φουρνιώτης, Ευάγγελος Καραγεωργόπουλος Εργαστήριο Υδραυλικής Μηχανικής, Πανεπιστήμιο Πατρών εωρητικό υπόβαθρο υπολογιστικών θεμάτων θαλάσσιων ανεμογεννητριών Επιστημονικό εμινάριο μφιθέατρο Εργαστηρίου Μεταλλικών Κατασκευών ΕΜΠ 9 ανουαρίου

2 S E W D ρμονικά Κύματα τοχαστικοί Κυματισμοί Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές Διαδικασία Υπολογισμών Περιεχόμενα. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

3 S E W D ρμονικά Κύματα H... d H coskx t T k tanh gk kd. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 3

4 S E W D ρμονικά Κύματα o Ταχύτητες ροής: o Δυναμική πίεση: H cosh k z d u cos kx t sinh kd H sinh k z d w sin kx t sinh kd H cosh k d z p g cos kx t cosh kd o Ταχύτητα κύματος: C T k. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 4

5 S E W D τοχαστικοί Κυματισμοί ι θαλάσσιοι ανεμογενείς κυματισμοί, οι οποίοι δημιουργούνται από τη διατμητική τάση του ανέμου στην επιφάνεια της θάλασσας, δεν είναι αρμονικοί (μονοχρωματικοί).. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 5

6 S E W D τοιχεία θεωρίας στοχαστικών κυματισμών: τοχαστικοί Κυματισμοί υσχέτιση παραμέτρων ανέμου και θαλασσίων κυματισμών. τατιστική και φασματική ανάλυση στοχαστικών θαλασσίων κυματισμών (irregular waves). Μέθοδοι πρόβλεψης κατάλληλων τιμών (κανονικών, δυσμενών και ακραίων) των παραμέτρων των κυματισμών για χρήση στο σχεδιασμό θαλασσίων κατασκευών. ναφορές: DV. Environmental Conditions and Environmental Loads. DV- RP-C5 (RECMMEDED PRCTCE), DET RSKE VERTS S. U.S..C.E.,. Coastal Engineering Manual, Engineer Manual -, U.S. rmy Corps of Engineers, Part, Chapters &, Washington, DC.. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

7 S E W D τοχαστικοί Κυματισμοί υσχέτιση στοιχείων ανέμου και παραμέτρων κυμάτων: Ταχύτητα ανέμου: U Διάρκεια πνοής: t d Μήκος αναπτύγματος θαλασσίου πεδίου (fetch): F Χαρακτηριστικό ύψος κύματος: H S Χαρακτηριστική περίοδος κύματος: T S. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 7

8 S E W D Γένεση ανεμογενών κυματισμών: τοχαστικοί Κυματισμοί Μεταφορά ενέργειας από τα κινούμενα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα στις επιφανειακές θαλάσσιες μάζες.. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 8

9 S E W D τοχαστικοί Κυματισμοί Fetch = ταθμισμένος μέσος όρος των μηκών θαλασσίου πεδίου, F i, εκατέρωθεν της διεύθυνσης του ανέμου F i F i i cos cos a i a i. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 9

10 S E W D τατιστική ανάλυση κυματισμών: Κάθε «κύμα» ορίζεται μεταξύ γειτονικών σημείων μηδενικής προς τα άνω διάβασης (zero upcrossing). Τα «κύματα» κατατάσσονται σε φθίνουσα σειρά ανάλογα με τα ύψη τους H n (H το μεγαλύτερο, H το μικρότερο). Τα ύψη κύματος ακολουθούν την κατανομή Rayleigh. Μέση τάθμη άλασσας τοχαστικοί Κυματισμοί η Τ n- t n. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

11 S E W D Χαρακτηριστικό ύψος κύματος: Μέση τετραγωνική τιμή ύψους κύματος: Κατανομή Rayleigh: H S H H H,3 H τοχαστικοί Κυματισμοί rms S / n H H H S H rms n Hn n Μέγιστο ύψος κύματος:,8 HS Hmax,95 HS για, 4HS 4 όπου είναι ο αριθμός κυμάτων σε μια καταγραφή ή κατ επέκταση σε μια καταιγίδα.. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

12 S E W D Χαρακτηριστική περίοδος κύματος: τοχαστικοί Κυματισμοί / n T T T περίοδος των στοχαστικών κυμάτων δεν υπόκειται σε κάποια κατανομή πιθανότητας εμφάνισης. ύμφωνα με τον ορβηγικό ηογνώμονα Det orske Veritas (DV-RP-C5 ), η κατάλληλη περίοδος για το κύμα με το μέγιστο ύψος σε μια καταιγίδα είναι: S n T max,94 H max όπου η περίοδος είναι σε sec και το ύψος κύματος σε m.. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

13 S E W D Φασματική ανάλυση κυματισμών: τοχαστικοί Κυματισμοί Το φάσμα S(f) αντιπροσωπεύει την ενέργεια του κύματος σε κάθε συχνότητα f=/t. Γενική συνάρτηση φάσματος θαλασσίων ανεμογενών κυματισμών: S f g f exp B f 5 4 οπές φάσματος: n mn f S f df Χαρακτηριστικό ύψος κύματος: H H 4 m H S m rms. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 3

14 . Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 4 S E W D Φάσμα JSWP (Jint orth Sea Wve Project): Το φάσμα JSWP αντιπροσωπεύει αναπτυγμένους κυματισμούς περιορισμένους από το μήκος αναπτύγματος. Για γ, ο κυματισμός τείνει να γίνει αρμονικός με περίοδο Τ p. τοχαστικοί Κυματισμοί 4 exp 4 5 exp,5 p p f f f f P g S f f f,8,87ln a 7 3,3,7,9 P P f f f f,95 S P T T

15 S E W D τοχαστικοί Κυματισμοί Βραχυπρόθεσμη φασματική πρόβλεψη κυματισμών: u* Ταχύτητα τριβής: CD,,,35 U U Για κυματισμό περιορισμένο από το μήκος αναπτύγματος, το χαρακτηριστικό ύψος και η χαρακτηριστική περίοδος είναι: gh u gf, 43 S * u*,5 gts u gf, 7345 u * *,33 έλεγχος για κυματισμό περιορισμένο από τη διάρκεια πνοής γίνεται με υπολογισμό του ισοδύναμου μήκους αναπτύγματος gfeq gt d, 53 u* u* Εάν F > F eq, ο κυματισμός είναι περιορισμένος από τη διάρκεια πνοής και οι υπολογισμοί ύψους & περιόδου γίνεται για F = F eq.,5. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 5

16 S E W D τοχαστικοί Κυματισμοί Μακροπρόθεσμη στατιστική πρόβλεψη κυματισμών: Ζητούμενο είναι η εύρεση ακραίου (extreme) χαρακτηριστικού ύψους κύματος H S,5 με μεγάλη περίοδο επαναφοράς T r (π.χ. 5 έτη) μέσω κατάλληλης προεκβολής δεδομένων που καλύπτουν χρονική περίοδο σχετικά βραχυπρόθεσμη ως προς την περίοδο επαναφοράς. πιθανότητα εμφάνισης ύψους κύματος με μεγάλη περίοδο επαναφοράς δεν ακολουθεί την κατανομή Rayleigh και χρησιμοποιείται είτε η κατανομή Weibull είτε η Gumbel. Χαρακτηριστική περίοδος ακραίου κύματος: T 3,3 H,3 S S,5,5. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

17 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές Κυματικά Φορτία σε Κυλινδρικά τοιχεία:. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 7

18 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές χαρακτηρισμός της δύναμης, η οποία ασκείται σε πυλώνες από τη δράση θαλασσίων κυμάτων, εξαρτάται από δύο παράγοντες: Την περίθλαση ή μη των κυματισμών λόγω της παρουσίας του πυλώνα. Τη θεώρηση συνεκτικής ή μη-συνεκτικής ροής (viscous or inviscid flow). Μη-συνεκτική ροή = ιδανικό ρευστό = αστρόβιλη ροή = ροή με αμελητέα επίδραση του ιξώδους του ρευστού και αμελητέα στροβιλότητα. υνεκτική ροή = πραγματικό ρευστό = ροή με στροβιλότητα = ροή με σημαντική διατμητική τάση και αποκόλληση στην επιφάνεια του πυλώνα.. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 8

19 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές Δύναμη Froude-Kryloff (αδράνειας): στρόβιλη ροή (/D < ) και αμελητέα περίθλαση (D/λ <,) λ Δύναμη Froude-Kryloff + Δύναμη λόγω Περίθλασης (βαρύτητας): στρόβιλη ροή (/D < ) και μη-αμελητέα περίθλαση (D/λ >,) λ. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 9

20 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές Δύναμη ντίστασης (drag force) = Δύναμη Τριβής (friction drag) + Δύναμη Μορφής (form drag): H/D > Δύναμη Τριβής: δύναμη που οφείλεται στη διατμητική τάση λόγω τριβής του ρευστού στην επιφάνεια του πυλώνα. Δύναμη Μορφής: δύναμη που οφείλεται στη διαφορά πίεσης λόγω αποκόλλησης της ροής από την επιφάνεια του πυλώνα.. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

21 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές H/ D Morison 9% F D Froude-Kryloff % F D Περίθλαση + Περίθλαση Froude-Kryloff 5 / D. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

22 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές Δύναμη η οποία ασκείται σε τμήμα απειροστού μήκους dz του πυλώνα με διεύθυνση κάθετη στον άξονα z του πυλώνα: df df dfd du CM CD D u u dz dz dz dt όπου F : η δύναμη αδράνειας F D : η δύναμη αντίστασης C M =+C a : ο συντελεστής αδράνειας C a : ο συντελεστής πρόσθετης μάζας της διατομής του πυλώνα C D : είναι ο συντελεστής αντίστασης της διατομής του πυλώνα : το εμβαδόν της διατομής του πυλώνα ρ : η πυκνότητα του ρευστού u : η ταχύτητα του αστρόβιλου πεδίου ροής στο κέντρο βάρους της διατομής του πυλώνα. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο

23 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές x. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 3

24 S E W D Κυματικά Φορτία σε αλάσσιες Κατασκευές Εξισώσεις κίνησης πλωτής ανεμογεννήτριας: k d d M kb kc F jk jk dt jk dt jk k j όπου M jk, jk, B jk και C jk είναι τα μητρώα μάζας, πρόσθετης μάζας, απόσβεσης και υδροστατικής δύναμης του βαθμού ελευθερίας j λόγω μοναδιαίας κίνησης κατά τον βαθμό ελευθερίας k.. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 4

25 S E W D Διαδικασία Υπολογισμών Δεδομένα-χρονοσειρές ανέμου Υπολογισμοί fetch Υπολογισμός ετήσιων χαρακτηριστικών κυμάτων (normal sea state) Υπολογισμός μακροχρόνιων (5 έτη) χαρακτηριστικών κυμάτων (severe sea state) Υπολογισμός ακραίων ( και 5 έτη) κυμάτων (extreme sea state) Υπολογισμός κυματικών καταγραφών των ανωτέρω με βάση το φάσμα JSWP Υπολογισμός κυματικών φορτίων Υπολογισμός κίνησης κατασκευής στην περίπτωση πλωτής ανεμογεννήτριας. Δήμας,. Φουρνιώτης, Ε. Καραγεωργόπουλος εωρητικό υπόβαθρο 5

26 SEWD